Attrice britannica nata da padre gallese e madre irlandese, che le daranno il nome di due bisnonne, una Catherine e l'altra Zeta, nome quest'ultimo, che trae la sua origine da una celebre imbarcazione sulla quale era partito il marito. Catherine nasce in una famiglia modesta, il padre infatti gestisce una fabbrica di dolciumi e la madre è sarta.
Sin da bambina dimostra di avere innate qualità artistiche. Agli albori della sua carriera si può annoverare una collaborazione, alla tenera età di quattro anni, come ballerina e cantante, nella compagnia teatrale di una chiesa cattolica di Swansea. A undici anni partecipa alla produzione di Annie, e dopo solo due anni al musical Bugsy Malone con la West End Production.
A sedici anni conquista il primo ruolo di protagonista nel film Four di David Merrick e subito dopo la vediamo nel revival della 42ma strada.
Il vero e proprio debutto nel cinema avviene con una produzione francese. L'attrice, all'epoca diciottenne, partecipa a Les 1001 Nuits del regista francese Philip De La Broc, nel ruolo di Sheherazade.
Nonostante la sua carriera annoveri già molti successi e partecipazioni a importanti progetti cinematografici e teatrali, il successo vero e proprio viene raggiunto l'anno successivo quando, appena tornata in Gran Bretagna, partecipa a una serie TV intitolata The Darling Buds of May.
Da questo momento in poi il successo sarà inarrestabile e Catherine proietta tutte le sue energie alla conquista di Hollywood. Partecipa a un episodio di Le avventure del giovane Indiana Jones prodotto dalla ABC e subito dopo a Blue Juice e The Phantom.
Nel 1998 Steven Spielberg, nelle vesti di produttore questa volta, la sceglie come protagonista, al fianco di Antonio Banderas, nel film La maschera di Zorro di Martin Campbell.
Da questo momento in poi entra a far parte delle star internazionali e i film che seguono la vedono sempre più inserita in cast con grandi attori di Hollywood. Nel 1999, infatti, gira con Sean Connery Entrapment e con Liam Neeson Hauting - Presenze.
Nel 2001, subito dopo aver partecipato al film Traffic con Michael Douglas, Benicio Del Toro e Tomas Milian, e dopo aver avuto un ruolo di co-protagonista al fianco di Julia Roberts in I perfetti innamorati, partecipa al film Chicago, musical ispirato a 8 e 1/2 del grande Federico Fellini, per il quale riceve il premio Oscar come miglior attrice non protagonista.
Nel 2000 fa molto scalpore il matrimonio con Michael Douglas, più grande di lei di venticinque anni esatti (i due attori sono nati lo stesso giorno), dal quale ha ben due figli.
Nel 2003 la vediamo protagonista nel simpatico film interpretato al fianco di George Clooney Prima ti sposo, poi ti rovino, diretto dai fratelli Coen. Il 2004 segna una nuova collaborazione con il regista Steven Spielberg che la chiama a interpretare un ruolo in The Terminal, e con il regista Soderbergh per il celeberrimo Ocean's Twelve. Nel 2005 è chiamata per la seconda volta a vestire i panni di Elena nel film La Leggenda di Zorro diretto questa volta da Martin Campbell.
Nel 2007 gira due importanti pellicole: Sapori e dissapori di Scott Hicks, e Houdini: l'ultimo mago di Gillian Armstrong, sugli ultimi anni della vita del mago Houdini. Dopo un periodo di calma per la sua carriera, ritorna in grande stile nella commedia revival anni '80 Rock of Ages, accanto a Tom Cruise, Paul Giamatti e Alec Baldwin. Sempre nel 2012 gira il film di Muccino Quello che so sull'amore, mentre l'anno successivo recita nel thriller newyorkese Broken City, diretta da Allen Hughes, e nel nuovo lavoro di Steven Soderbergh, il thriller psicologico Side Effects, con Channing Tatum, Jude Law e Rooney Mara.